La materia oscura costituisce la maggior parte della materia nell’Universo, circa l’85%, eppure ancora non abbiamo idea di cosa sia. Fino a oggi le ricerche per trovarla si sono concentrate su oggetti massicci e compatti, nell’alone della nostra e di altre galassie, in particelle massicce debolmente interagenti. Nessuno si è rivelato un probabile candidato.

I ricercatori sospettano che la materia oscura sia costituita da particelle di cui non siamo ancora a conoscenza. In una ricerca pubblicata oggi su Nature Communications, i fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory in collaborazione con gli scienziati del MIT hanno iniziato a pensare che quelle particelle potrebbero essere gli assioni.

Utilizzando nuove tecniche di calcolo e Cori, uno dei supercomputer più grandi del mondo, il professore Benjamin Safdi di Berkeley e i colleghi del MIT hanno simulato l’era in cui sarebbero stati prodotti gli assioni. Essa risale a un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang, che ha creato l’Universo in cui viviamo. Dopo esser state create in abbondanza nel Big Bang, le particelle assioniche dovrebbero ancora essere in qualche modo rilevabili nel cosmo. In realtà non sono mai state trovate.

C’è quindi una domanda, già avanzata in passato, che oggi la simulazione di Safdi e colleghi rimarca: e se fossero gli assioni i costituenti della materia oscura?

Gli assioni: la proposta, le ricerche, l’interazione con la materia

L’assione è stato proposto nel 1978 come una nuova particella elementare in grado di spiegare perché lo spin del neutrone non precede e non oscilla in un campo elettrico. Secondo la teoria, è l’assione che impedisce allo spin neutronico di precedere.

Dagli anni ’80 i fisici iniziarono a considerare l’assione come candidato per la materia oscura, così partirono i primi tentativi di rilevare gli assioni. Innanzitutto, utilizzando le equazioni del Modello Standard (la teoria delle interazioni tra particelle fondamentali) e il Modello Cosmologico Standard (teoria del Big Bang), è possibile calcolare la massa precisa dell’assione. Tuttavia le equazioni sono così difficili che fino a oggi avevamo solo stime imprecise. Di conseguenza gli esperimenti che si basano su elaborati ricevitori radio detti cavità a microonde devono sintonizzarsi su milioni di canali di frequenza per cercare di trovare quello corrispondente alla massa dell’assione.

La stima più precisa finora della massa degli assioni

Ora la simulazione al National Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab ha rilevato che la massa dell’assione è più del doppio di quanto si pensasse. Tra 40 e 180 microelettronvolt (micro-eV), sarebbe circa un deci-miliardesimo della massa dell’elettrone. I dati suggerirebbero invece una massa assionica attorno ai 65 micro-eV. Da quando i fisici hanno iniziato a cercare l’assione quarant’anni fa, le stime della massa hanno variato ampiamente, da pochi micro-eV a 500 micro-eV.

L’aver stimato la massa dell’assione a una quantità veramente molto piccola impedisce definitivamente di rivelare gli assioni in una camera di risonanza a microonde, esperimento più comune per stanarli. Tale approccio non sarà certamente in grado di rivelarli. A tal proposito, Safdi spiega:

La camera dovrebbe essere più piccola di qualche centimetro di lato per rilevare l’onda a frequenza più alta da un assione di massa maggiore. Quel volume sarebbe troppo piccolo per catturare abbastanza assioni affinché il segnale si alzi al di sopra del rumore . Il nostro lavoro fornisce la stima più precisa fino ad oggi della massa dell’assione e indica una gamma specifica di masse che non è attualmente esplorata in laboratorio. Penso che abbia senso concentrare gli sforzi sperimentali su masse di assioni da 40 a 180 micro-eV. Tuttavia c’è molto lavoro da fare per andare oltre quell’intervallo di massa.

La simulazione del supercomputer Cori

Safdi e il suo team si sono rivolti ai colleghi del MIT e del Berkley Lab per effettuare simulazioni ancora più precise, con nuovi metodi di calcolo. Durante le simulazioni, una piccola parte dell’universo in espansione è rappresentata da una griglia tridimensionale su cui vengono risolte le equazioni. Tale griglia è resa più dettagliata attorno alle aree di interesse. In questo modo concentra la potenza di calcolo sulle parti più importanti della simulazione.

La tecnica ha consentito alla simulazione di Safdi di vedere migliaia di volte più dettagli intorno alle aree in cui si generano gli assioni. Di conseguenza, una determinazione più precisa del numero totale di assioni prodotti. E data poi la massa totale della materia oscura nell’Universo, si ricava la massa degli assioni. La simulazione ha impiegato 69.632 core di unità di elaborazione fisica del computer (CPU) del supercomputer Cori, con quasi 100 terabyte di memoria ad accesso casuale (RAM). Ciò ha reso la simulazione una delle più grandi simulazioni di materia oscura di qualsiasi tipo fino ad oggi.

Vortici di assioni nell’Universo primordiale

La simulazione ha mostrato che dopo i primi miliardesimi di secondo seguiti al Big Bang si formano dei vortici. Una sorta di stringhe composte di assioni. Che subiscono numerosi processi dinamici violenti durante l’espansione dell’Universo.

“Quando accadono eventi troppo violenti, gli assioni fuggono via dalle stringhe” spiega Safdi. “E, pensiamo, finiscono per diventare la materia oscura molto più avanti nel tempo.” Tenendo traccia degli assioni che vengono eliminati, i ricercatori sono in grado di prevedere la quantità di materia oscura che è stata creata.

In futuro, nuove simulazioni e ricerche sperimentali

Il team sta ora lavorando con un nuovo cluster di supercalcolo in costruzione presso il Berkeley Lab che consentirà simulazioni che forniranno una massa ancora più precisa. Il supercomputer di prossima generazione quadruplica la potenza di calcolo di NERSC .

“Vogliamo realizzare simulazioni ancora più grandi ed a una risoluzione ancora più elevata, che ci consentirà di ridurre queste barre di errore, si spera fino al 10%” afferma Safdi. “Questo cambia davvero le carte in tavola, sperimentalmente.” Infatti una volta che le simulazioni danno una massa ancora più precisa, l’assione può essere più semplice da trovare. E da confermare o no come il misterioso costituente della materia oscura.

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, si può trovare qui.

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